論文の概要: Efficient Measurement Error Mitigation with Subsystem-Balanced Pauli Twirling
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.17298v1
- Date: Mon, 22 Sep 2025 00:39:32 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-23 18:58:16.207062
- Title: Efficient Measurement Error Mitigation with Subsystem-Balanced Pauli Twirling
- Title（参考訳）: サブシステムベースパウリツイリングによる効率的な測定誤差低減
- Authors: Xiao-Yue Xu, Chen Ding, Wan-Su Bao,
- Abstract要約: モデルフリー測定誤差軽減(MEM)は、信頼性の高い量子計算を実現する上で不可欠である。
本稿では,サブシステムにおけるパウリ演算子バランスを強制し,測定ノイズを選択的に抑制するサブシステムバランス付きパウリツイリング(SB-PT)を提案する。
この研究は、短期量子デバイスにおける高忠実度測定への資源フルーガルで実験的に実現可能な経路を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.0919095220959996
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Measurement error mitigation (MEM) is essential for realizing reliable quantum computation. Model-free measurement error mitigation (MF-MEM) is an important class of MEM methods that employs Pauli twirling-typically with a random twirling set-to convert measurement noise into a state-independent scaling factor, thereby enabling error mitigation through simple calibration. However, such methods face prohibitive sampling overhead, limiting their scalability. To address this, we introduce subsystem-balanced Pauli twirling (SB-PT), a twirling method designed for MF-MEM that enforces Pauli operator balance on measuring subsystems to selectively suppress dominant measurement noise. Theoretically, for a weight-r Pauli observable, SB-PT removes all independent error components using only O[4^r] random circuits, substantially reducing the sampling overhead over conventional Pauli twirling. This efficiency gain is most significant for sparse observables. To extend such resource-efficient mitigation to arbitrary observables, we develop a hardware-efficient measurement transformation framework that converts high-weight Pauli operators into low-weight effective ones via linear-depth circuits. The circuit noise introduced during this transformation is jointly mitigated with native measurement noise using a unified twirling protocol, ensuring robust performance. Extensive numerical simulations demonstrate a greater than 16-fold improvement in sampling efficiency over conventional random twirling, with consistent performance gains across varying system sizes and error regimes. This work provides a resource-frugal and experimentally viable path toward high-fidelity measurement in near-term quantum devices.
- Abstract（参考訳）: 測定誤差緩和(MEM)は、信頼性の高い量子計算を実現するために不可欠である。
モデルフリー計測誤差緩和法(MF-MEM)は、パウリ・ツイリング(英語版)を典型的にはランダム・ツイリング・セット・トゥイリング(英語版)を用いて測定ノイズを状態非依存のスケーリング係数に変換するMEM法の重要なクラスであり、単純なキャリブレーションによる誤差緩和を可能にする。
しかし、そのような手法は、そのスケーラビリティを制限し、サンプリングのオーバーヘッドを禁ずる。
そこで本研究では,MF-MEM 向けに設計されたサブシステムバランス付き Pauli twirling (SB-PT) を導入する。
理論的には、重み付けされたパウリ観測可能な場合、SB-PTはO[4^r]ランダム回路のみを用いて全ての独立誤差成分を除去し、従来のパウリツイリングのサンプリングオーバーヘッドを大幅に低減する。
この効率向上は、希薄な観測物にとって最も重要なものである。
このような資源効率の低減を任意の観測値に拡張するため、線形深度回路を用いて、重み付きパウリ演算子を低重み付き実効性に変換するハードウェア効率の測定変換フレームワークを開発した。
この変換で導入された回路ノイズは、統一的なツイリングプロトコルを用いてネイティブ計測ノイズと共同で緩和され、ロバストな性能が保証される。
大規模な数値シミュレーションにより、従来のランダム・ツイリングよりもサンプリング効率が16倍に向上し、システムサイズやエラーレシエーションが一貫した性能向上を示した。
この研究は、短期量子デバイスにおける高忠実度測定への資源フルーガルで実験的に実現可能な経路を提供する。
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